Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ

Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ

dung của đề tài “Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ”

Trong nghiên cứu này, tác giả sử dụng vật liệu cản từ Ferrite, thay đổi cuộn dây với hình dạng và kích thước khác nhau để đánh giá phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm thép C45 có kích thước 100x100x5 mm Kết quả thực nghiệm cho thấy cuộn dây hợp lý là dạng có hai vòng lò xo cùng chiều xoắn phải và có bộ phận cản

từ bên trên với nhiệt độ lớn nhất là 3150C sau 30s gia nhiệt Đồng thời, phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm phôi cũng được xác định thông qua mô phỏng trên phần mềm COMSOL và so sánh với kết quả thực nghiệm

ABSTRACT

Nowadays, in the world as well as in the country, one of the common methods

in the manufacture of plastic products is the injection molding technology In particular, the heating of the mold plays an important role and greatly affects the productivity and quality of products Therefore, it is necessary to study and improve the mold heating process by magnetic induction method In this method, the proper use and placement of sheets of magnetic material will cause the focused magnetic field to focus on the area to be heated and improve the heating effect This

is the content of the topic "A study on the influence of magnetic resistance on the temperature distribution of magnetic induction heating"

In research, the author uses the physical material of Ferrite, changes the coil with different forms and sizes to evaluate the temperature distribution on the plate surface of the steel sheet of C45 with 100x100x5 mm The results show that the reasonable coilis a two-ringed form springs same twist right and have the magnetic resistance from above with a maximum temperature of 315 0C after 30 s of heating

In addition, the temperature distribution on the plate surface is also determined by simulation on the COMSOL software and compared with the experimental results

MỤC LỤC

LÝ LỊCH KHOA HỌC i

LỜI CAM ĐOAN ii

LỜI CẢM ƠN iii

TÓM TẮT iv

ABSTRACT v

MỤC LỤC vi

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT ix

DANH MỤC HÌNH ix

DANH MỤC BẢNG xiv

Chương 1: TỔNG QUAN 1

1.1 Tổng quan về gia nhiệt khuôn 1

1.1.1 Giới thiệu 1

1.1.2 Phân loại các phương pháp gia nhiệt cho khuôn ép nhựa 2

1.1.3 Công nghệ gia nhiệt bằng cảm ứng từ 3

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 4

1.2.1 Ngoài nước 4

1.2.2 Trong nước 9

1.3 Tính cấp thiết của đề tài 11

1.4 Tính mới của đề tài 12

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài 12

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 12

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 12

1.6 Mục đích và đối tượng nghiên cứu 12

1.6.1 Mục đích nghiên cứu 12

1.6.2 Đối tượng nghiên cứu 13

1.7 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài 13

1.7.2 Giới hạn của đề tài 13

1.8 Phương pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện 14

1.8.1 Phương pháp nghiên cứu 14

1.8.2 Kế hoạch thực hiện 15

Chương 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT 16

2.1 Cảm ứng từ 16

2.1.1 Giới thiệu chung 16

2.1.2 Phương pháp tính 18

2.2 Hiệu ứng bề mặt 21

2.3 Ứng dụng trong công nghiệp 22

2.4 Vật liệu chế tạo tấm khuôn 23

2.6 Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt 27

2.7 Một số đặc điểm nổi bật của quá trình gia nhiệt theo phương pháp cảm

ứng từ 32

Chương 3 MÔ TẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG 35

3.1 Trình tự nghiên cứu 35

3.2 Mô hình nghiên cứu 36

3.2.2 Tấm cản từ 37

3.2.3 Mô hình cuộn dây 37

3.3 Phương pháp mô phỏng 47

3.3.1 Giới thiệu phần mềm 47

3.3.2 Mô đun truyền nhiệt 48

3.1.3 Các bước mô phỏng 48

3.4 Phương pháp thực nghiệm 51

3.4.1 Chuẩn bị thực nghiệm 51

3.4.2 Quá trình thực nghiệm 53

3.4.3 Vị trí đo 54

3.4.4 Tiến hành thực nghiệm 55

Chương 4 PHÂN TÍCH KẾT QUẢ THỰC NGHIỆM VÀ MÔ PHỎNG 56

4.1 Kết quả thực nghiệm cuộn dây gia nhiệt dạng 1 56

4.2 Cuộn dây gia nhiệt dạng 2 59

4.3 Cuộn dây gia nhiệt dạng 3 63

4.4 Cuộn dây gia nhiệt dạng 4 67

cản từ với thay đổi thông số a 68

4.5 Chọn cuộn dây tối ưu 72

4.6 Phân bố nhiệt độ trên cuộn dây 3B 73

4.7 Mô phỏng phân bố nhiệt độ của tấm phôi 75

4.8 So sánh kết quả thực nghiệm và mô phỏng 79

Chương 5 KẾT LUẬN VÀ HƯỚNG PHÁT TRIỂN 82

5.1 Kết luận 82

5.2 Hướng phát triển của đề tài 82

TÀI LIỆU THAM KHẢO 84

DANH MỤC CÁC KÍ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT

IH : Induction Heating

STL : Standard Template Library

CAE : Computer Aided Engineering

TEM : Thermo Electric Modules

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng từ 3

Hình 1.2: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với bộ phận gia nhiệt độc lập với khuôn 5

Hình 1.3: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với bộ phận gia nhiệt được tích hợp vào kết cấu khuôn 5

Hình 1.4: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với kết cấu cuộn dây khác nhau [15] 6

Hình 1.5: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với cuộn dây hình chữ nhật [16] 7

Hình 1.6 Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với cuộn dây xoắn ốc phẳng [17] 7

Hình 1.7: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng với lòng khuôn micro [18] 8

Hình 1.8: Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của HFC đến nhiệt độ khuôn [19] 8

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng [21] 16

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng tương tự như máy biến áp [21] 18

Hình 2.3: Độ tự cảm hay sự phân bố từ trường với thay đổi của cuộn coil 20

Hình 2.4: Ảnh hưởng của mật độ dòng điện với độ sâu bề mặt gia nhiệt và khoảng cách vị trí bề mặt của cuộn coil 21

Hình 2.5: Phân bố từ trường (hình a) và mật độ dòng điện trên bề mặt (hình b) 22

Hình 2.6: Ứng dụng cảm ứng từ trong công nghệ nhiệt luyện 22

Hình 2.7: Ứng dụng cảm ứng từ trong công nghệ hàn 23

Hình 2.8: Ứng dụng cảm ứng từ trong công nghiệp 23

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng và bố trí bộ phận cản từ 25

Hình 2.10: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ 26

Hình 2.11: Ảnh hưởng của vật liệu cản từ và chiều sâu gia nhiệt [22] 27

Hình 2.12: Các mẫu cuộn dây gia nhiệt chi tiết hình trụ 28

Hình 2.13: Các mẫu cuộn dây gia nhiệt mặt phẳng 29

Hình 3.1: Trình tự nghiên cứu 31

Hình 3.2: Kích thước tấm phôi thực nghiệm gia nhiệt 36

Hình 3.4: Kích thước tấm cản từ 37

Hình 3.5: Tấm vật liệu cản từ 37

Hình 3.6: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 1A 38

Hình 3.7: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt vớ cuộn dây 1B 38

Hình 3.8: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 1C 38

Hình 3.9: Kích thước cuộn dây dạng 1 39

Hình 3.10: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 2A 40

Hình 3.11: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 2B 40

Hình 3.12: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 2C 41

Hình 3.13: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 2D 41

Hình 3.14: Kích thước cuộn dây dạng 2 42

Hình 3.15: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 3A 43

Hình 3.16: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 3B 43

Hình 3.17: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 3C 43

Hình 3.18: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 3D 44

Hình 3.19: Kích thước cuộn dây dạng 3 44

Hình 3.20: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 4A 45

Hình 3.21: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt với cuộn dây 4B 45

Hình 3.22: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt cuộn dây 4C 45

Hình 3.23: Sơ đồ bố trí khi gia nhiệt cuộn dây 4D 46

Hình 3.24: Kích thước cuộn dây dạng 4 46

Hình 3.25: Các ứng dụng của phần mềm Comsol Multiphysisc 5.0 47

Hình 3.26: Setup phôi và cuộn dây vào phần mềm Comsol 48

Hình 3.27: Setup thuộc tính vật liệu 49

Hình 3.28: Cài đặt thông số thuộc tính đối tượng bài toán mô phỏng cuộn dây 49

Hình 3.29: Chia lưới tấm khuôn 50

Hình 3.30: Bộ phận biến thế của máy gia nhiệt cảm ứng từ 51

Hình 3.31: Máy gia nhiệt cảm ứng điện từ 52

Hình 3.32: Thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc 53

Hình 3.33: Vị trí đo để xác định phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm phôi 55 Hình 3.34: Tiến hành thực nghiệm với cuộn dây dạng 1, 2, 3 và 4 55 Hình 4.1: Biểu đồ kết quả thực nghiệm nhiệt độ với cuộn dây dạng 1 57 Hình 4.2: Biểu đồ nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 1C ứng với bố trí bộ phận cản từ

có khe hở Δ khác nhau 59

Hình 4.3 : Biểu đồ kết quả thực nghiệm nhiệt độ với cuộn dây loại 2A 60 Hình 4.4: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 2B có bộ phận cản từ bên

trên với thay đổi thông số a 61

Hình 4.5: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 2C chỉ có bộ phận cản từ

bên dưới với thay đổi thông số a 62

Hình 4.6: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 2D, có đồng thời bộ phận

cản từ bên trên và bên dưới với thay đổi thông số a 63

Hình 4.7: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 3A không có cản từ thay

đổi thông số a 64

Hình 4.8: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 3B có bộ phận cản từ bên

trên với thay đổi thông số a 65

Hình 4.9 : Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 3C chỉ có bộ phận cản từ

bên dưới với thay đổi thông số a 66

Hình 4.10: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 3D, có đồng thời bộ

phận cản từ bên trên và bên dưới vớu thay đổi thông số a 67

Hình 4.11 : Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 4A không có cản từ với

thay đổi thông số a 68

Hình 4.12: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 4 có bộ phận cản từ bên

trên với thay đổi thông số a 69

Hình 4.13 : Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 4C chỉ có bộ phận cản

từ bên dưới với thay đổi thông số a 70

Hình 4.14: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 4D, có đồng thời bộ

phận cản từ bên trên và bên dưới, thay đổi thông số a 71

Hình 4.15: Biểu đồ so sánh nhiệt độ cao nhất khi gia nhiệt trên các cuộn dây có

đồng thời bộ phận cản từ bên trên 73

Hình 4.16: Điểm đo xác định phân bố nhiệt của cuộn dây 3B 73

Hình 4.17: Biểu đồ so sánh nhiệt độ cao nhất tại bốn điểm cuộn dây 3B 74

Hình 4.18: Mô hình mô phỏng cuộn dây 3B 75

Hình 4.19: Kết quả mô phỏng cuộn dây 3B 79

Hình 4.20: Biểu đồ so sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 3B 80

DANH MỤC BẢNG

Bảng 2.1 Thành phần hoá học của thép Các bon chất lượng C45 24

Bảng 2.2 Cơ tính của thép Các bon chất lượng C45 24

Bảng 3.1 Thông số kỹ thuật của thiết bị đo nhiệt độ không tiếp xúc 52

Bảng 4.1: Bảng kết quả nhiệt độ thực nghiệm với cuộn dây dạng 1 56

Bảng 4.2: Bảng kết quả nhiệt độ thực nghiệm với loại 1C có khe hở Δ khác nhau 58 Bảng 4.3: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây loại 2A với thay đổi thông số a 60

Bảng 4.4: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 2B có bộ phận cản từ bên trên với thay đổi thông số a 60

Bảng 4.5: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 2C chỉ có bộ phận cản từ bên dưới với thay đổi thông số a 61

Bảng 4.6: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 2D có đồng thời bộ phận cản từ bên trên và bên dưới với thay đổi thông số a 62

Bảng 4.7: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 3A không có cản từ thay đổi thông số a 64

Bảng 4.8: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 3B có bộ phận cản từ bên trên thay đổi thông số a 65

Bảng 4.9: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 3C chỉ có bộ phận cản từ bên dưới với thay đổi thông số a 65

Bảng 4.10: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 3D có đồng thời bộ phận cản từ bên trên và bên dưới với thay đổi thông số a 66

Bảng 4.11: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 4A không có cản từ với thay đổi thông số a 68

Bảng 4.12: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 4B có bộ phận cản từ bên trên với thay đổi thông số a 69

Bảng 4.13: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 4C chỉ có bộ phận cản từ bên dưới với thay đổi thông số a 70

Bảng 4.14: Nhiệt độ thực nghiệm đo được khi gia nhiệt cuộn dây 4 có đồng thời bộ

phận cản từ bên trên và bên dưới với hay đổi thông số a 71

Bảng 4.15: Nhiệt độ thực nghiệm cao nhất đo được khi gia nhiệt trên các 4 dạng

cuộn dây, có đồng thời bộ phận cản từ bên trên 72

Bảng 4.16: Nhiệt độ thực nghiệm đo được tại bốn điểm của cuộn dây 3B 74 Bảng 4.17: So sánh nhiệt độ khi gia nhiệt cuộn dây 3B 80

Chương 1:

TỔNG QUAN

1.1 Tổng quan về gia nhiệt khuôn

1.1.1 Giới thiệu

Đối với các doanh nghiệp Việt Nam, trong quá trình chế tạo các sản phẩm

nhựa, công nghệ phun ép vật liệu nhựa đã và đang được ứng dụng ngày càng phổ biến, là một trong những phương pháp thông dụng nhất hiện nay

Song song với quá trình phát triển sản phẩm nhựa, các khuyết tật cũng sẽ xuất hiện ngày càng nhiều Hiện nay, các khuyết tật thường gặp trong quá trình sản xuất sản phẩm theo phương pháp phun ép như: đường hàn, rổ khí, cong vênh do co rút không đồng đều… [1, 12] Mặt khác, độ bền sản phẩm ngày càng được yêu cầu nhiều hơn từ phía khách hàng Do đó, trong lĩnh vực khuôn phun ép nhựa, các nghiên cứu trong những năm gần đây chủ yếu tập trung vào:

- Nghiên cứu các qui trình mới

- Nâng cao độ bền của sản phẩm với các chất phụ gia thêm vào vật liệu

- Nghiên cứu kết cấu và vật liệu chế tạo khuôn phun ép

- Tối ưu điều kiện gia công

Trong đó, nghiên cứu về kết cấu khuôn hoặc điều kiện phun ép thường được các nước như Trung Quốc, Đài Loan… chú ý do nhu cầu sản xuất từ các khu công nghiệp

Với điều kiện sản xuất và nhu cầu cải tiến công nghệ như Việt Nam, việc thay đổi, cải tiến vật liệu nhựa, hoặc ứng dụng các qui trình mới vào sản xuất sẽ không mang tính khả thi cao Vì vậy, hướng nghiên cứu về cải tiến các điều kiện gia công của qui trình phun ép nhựa là một trong những hướng nghiên cứu hiệu quả nhất hiện nay

Trong các nghiên cứu về điều kiện phun ép, các thông số về nhiệt độ thường

có ảnh hưởng lớn đến qui trình cũng như chất lượng sản phẩm Thông thường, các

nghiên cứu về nhiệt độ khuôn tập trung vào nhiệt độ nhựa nóng chảy và nhiệt độ khuôn Trong đó, nhiệt độ nhựa nóng chảy thường được nhà sản xuất qui định trong khoảng cho phép Do đó, đây gần như là thông số rất khó thay đổi Ngược lại, nhiệt

độ khuôn là yếu tố ảnh hưởng đến:

- Dòng chảy nhựa khi điền vào lòng khuôn

- Quá trình giải nhiệt cho sản phẩm

- Độ co rút và ứng suất dư của sản phẩm

Gia nhiệt cho khuôn ép nhựa là quá trình rất quan trọng Quá trình này ảnh hưởng đến chất lượng của sản phẩm Nếu nhiệt độ lòng khuôn cao (90oC- 180oC), quá trình điền đầy nhựa sẽ dễ dàng hơn.Tuy nhiên, nếu nhiệt độ của các tấm khuôn tăng cao, quá trình giải nhiệt của khuôn nhựa sẽ bị kéo dài, và thời gian chu kỳ tái

ép sản phẩm nhựa sẽ tăng, nên giá thành sản phẩm khó có thể giảm

Vì vậy, mục tiêu quan trọng của quá trình điều khiển nhiệt độ khuôn phun

ép nhựa: gia nhiệt khuôn đến nhiệt độ yêu cầu, nhưng vẫn đảm bảo thời gian của chu kỳ phun ép không quá dài

1.1.2 Phân loại các phương pháp gia nhiệt cho khuôn ép nhựa

Có nhiều cách phân loại các phương pháp gia nhiệt khuôn [6-10] Tuy nhiên thông dụng nhất là cách phân loại theo dạng năng lượng sử dụng tại thời điểm gia nhiệt

- Các phương pháp gia nhiệt bằng dầu nóng: Dầu khoáng đã nung nóng đưa vào khuôn trong quá trình gia nhiệt

- Các phương pháp gia nhiệt bằng khí nóng: Khí đã nung nóng đưa vào khuôn trong quá trình gia nhiệt

- Các phương pháp gia nhiệt bằng điện trở: Điện trở được lắp đặt trong khuôn sẽ nóng lên trong quá trình gia nhiệt

- Các phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ: Sử dụng dòng điện Fuco làm nóng khuôn

1.1.3 Công nghệ gia nhiệt bằng cảm ứng từ

Hình 1.1: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng từ

Gia nhiệt cảm ứng từ cho khuôn ép nhựa là quá trình đốt nóng không tiếp xúc thông qua hiện tượng cảm ứng điện từ Ở đây, đối tượng là khuôn cần được đốt nóng không có tiếp xúc với thiết bị đốt nóng Nhiệt sẽ được sinh ra ngay trong khuôn nhờ vào các dòng điện xoáy được cảm ứng do thiết bị đốt nóng tạo ra từ trường biến thiên theo thời gian

Gia nhiệt cảm ứng cho khuôn có thể tạo ra một nhiệt độ cao trong thời gia rất nhanh, đồng thời nguồn nhiệt ngắt ngay khi tắt máy ( không có hiện tượng tồn nhiệt như điện trở)

Trong phương pháp gia nhiệt bề mặt, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng

từ đã được ứng dụng nhằm hạn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đường hàn, cũng

như các khuyết tật khác của sản phẩm nhựa

1.2 Tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

Dựa vào ảnh hưởng nhiệt độ lên tấm khuôn, quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép được chia làm: gia nhiệt cả tấm khuôn và gia nhiệt cho bề mặt khuôn Trong đó, phương pháp gia nhiệt cả tấm khuôn không được hiệu quả kinh tế và quá trình giải nhiệt cho khuôn cũng sẽ gặp nhiều khó khăn

Mặt khác, tốc độ gia nhiệt được cải tiến đáng kể khi phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn được sử dụng Quá trình điền đầy của nhựa vào lòng khuôn được cải thiện khi bề mặt khuôn được phủ một lớp cách nhiệt Phương pháp này có thể tăng nhiệt độ bề mặt khuôn lên khoảng 25o

C [13, 14]

Trong các phương pháp gia nhiệt bề mặt, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ đã được ứng dụng nhằm hạn chế độ cong vênh, co rút, làm mờ đường hàn, cũng như các khuyết tật khác của sản phẩm nhựa Hiện nay, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được nghiên cứu ứng dụng cho khuôn phun ép nhựa gồm hai nhóm thiết kế chính:

- Nhóm 1: Bộ phận gia nhiệt độc lập với khuôn (Hình 1.2)

- Nhóm 2: Cuộn dây gia nhiệt được tích hợp vào kết cấu khuôn (Hình 1.3)

Hình 1.2: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với bộ phận gia nhiệt độc lập với

khuôn

Hình 1.3: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với bộ phận gia nhiệt được tích

hợp vào kết cấu khuôn Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được tác giả Yu-Ting Sung và các cộng sự nghiên cứu bằng cách thay đổi hướng và kết cấu cuộn dây (Hình 1.4) nhằm tìm được sự phân bố đồng đều về nhiệt độ, tốc độ và nhiệt độ trung bình gia nhiệt tăng Kết quả nghiên cứu cho thấy gia nhiệt bằng cảm ứng từ là một phương pháp gia nhiệt nhanh chóng mặc dù để đạt được sự đồng đều nhiệt độ trên một bề mặt khuôn không phải là dễ dàng [15]

Hình 1.4: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với kết cấu cuộn dây khác

nhau [15]

Tác giả S C Chen và các cộng sự đã có nhiều công bố nghiên cứu về gia nhiệt bằng cảm ứng từ trong thời gian vừa qua với nhiều mô hình và điều kiện thí nghiệm khác nhau [16-19], cụ thể như sau:

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ với mô hình như Hình 1.5 Cuộn dây

là hình chữ nhật với sự thay đổi về cường độ, khoảng cách và thời gian Kết quả nhiệt độ đo được tăng chậm dần lần lượt 6°C, 5°C, 4°C khi thời gian gia nhiệt tăng

từ 5s, 8s, 11s và 14s [16]

Hình 1.5: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với cuộn dây hình chữ nhật [16]

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ với cuộn dây xoắn ốc phẳng như Hình 1.6 [17] với:

- Tốc độ gia nhiệt: 22.5ºC/s

- Tốc độ giải nhiệt: 4,3ºC/s

Hình 1.6 Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng từ với cuộn dây xoắn ốc phẳng [17]

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ với lòng khuôn micro như Hình 1.7 [18] được nghiên cứu với các thông số:

- Khuôn nung nóng từ 60 °C đến 140 °C trong khoảng từ 2 giây đến 3,5 s

- Nhiệt độ khác biệt giữa rãnh trên cùng và dưới cùng nhỏ hơn 2 ºC

Hình 1.7: Gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng với lòng khuôn micro [18]

Phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ (Hình 1.8) được nghiên cứu của nhóm tác giả [19] với các thông số thay đổi về vật liệu khuôn, độ sâu kênh giải nhiệt và thiết kế cuộn cảm Kết quả nghiên cứu cho thấy các mức gia nhiệt đều dao động từ 2°C/s đến 4°C/s đối với kích thước khuôn 100 mm x 100 mm Đối với thiết

kế cuộn dây với ba vòng hình tròn, tốc độ gia nhiệt là nhanh nhất, trong khi thiết kế với cuộn dây hình chữ nhật thể hiện sự đồng đều của sự phân bố nhiệt độ Tốc độ gia nhiệt cũng nhạy với diện tích bề mặt tấm khuôn và khoảng cách từ cuộn dây đến

bề mặt gia nhiệt

Hình 1.8: Mô hình nghiên cứu ảnh hưởng của HFC đến nhiệt độ khuôn [19]

Nhìn chung, phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ có những ưu điểm vượt trội so với các phương pháp gia nhiệt khác như:

- Tốc độ gia nhiệt cao

- Thời gian gia nhiệt có thể kéo dài đến 30 giây

- Giảm thời gian tái ép khuôn

- Có thể vẫn sử dụng cho khuôn phun ép mà không cần thay đổi kết cấu khuôn có sẵn nếu cuộn dây gia nhiệt đặt rời

- Tiết kiệm năng lượng (nhiệt độ) do tổn thất nhỏ vì thời gian gia nhiệt ngắn

- Có khả năng gia nhiệt cục bộ

đã được nhiều trường đại học, viện nghiên cứu quan tâm thực hiện, cụ thể như sau:

- Luận văn Thạc sỹ của học viên LÊ MINH TRÍ (ĐH Sư phạm Kỹ thuật

TP.HCM) với đề tài „„Tối ưu hóa giải nhiệt cho khuôn ép” Luận văn này đã đề cập

đến cơ sở của việc thiết kế hệ thống giải nhiệt cho khuôn ép phun dựa trên lý thuyết truyền nhiệt,ứng dụng phương pháp này để tính toán hệ thống giải nhiệt cho sản phẩm là một tấm mỏng,sau đó sử dụng phần mềm Moldflow để mô phỏng,kiểm tra kết quả Tuy nhiên ,nội dung đề tài này chưa đưa ra được phương pháp tối ưu cho

hệ thống giải nhiệt ,và việc tính toán,mô phỏng chỉ dừng lại ở một chi tiết đơn giản, chưa phù hợp với yêu cầu thực tế

- Luận văn Thạc sỹ của học viên NGUYỄN VĂN THÀNH (ĐH Bách Khoa

TP.HCM) với đề tài ‘‘Nghiên cứu xây dựng qui trình thiết kế hệ thống làm nguội

cho khuôn ép phun nhựa theo công nghệ CAD/CAE” Luận văn này đề cập đến lý

thuyết truyền nhiệt và ứng dụng trong khuôn ép phun, nhằm xác định kích thước và phân bố hệ thống làm nguội,xây dựng được qui trình thiết kế hệ thống làm nguội cho khuôn ép phun theo công nghệ CAD/CAE, áp dụng qui trình cho sản phẩm là khuôn vỏ bình nước nóng

- Luận văn Thạc sỹ của học viên ĐINH NGỌC TRINH (ĐH Sư phạm Kỹ thuật

TP.HCM): „„Nghiên cứu quá trình gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa theo phương

pháp cảm ứng từ” Luận văn đề ra phương pháp gia nhiệt cho khuôn bằng cảm ứng

từ, nhưng chỉ thực hiện trên khuôn phẳng có độ dày 30 mm

- Luận văn Thạc sỹ của học viên LÊ NGỌC MINH (ĐH Sư Phạm Kỹ Thuật TP

HCM): “Nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cảm ứng từ cho khuôn phun ép nhựa

với cuộn dây gia nhiệt động” Luận văn nghiên cứu phương pháp gia nhiệt cho

khuôn bằng cảm ứng từ khi cuộn dây di động trên bề mặt khuôn

- Nghiên cứu của tác giả TS Phạm Sơn Minh [20], nghiên cứu thiết kế 2D và 3D cuộn dây gia nhiệt nhằm đánh giá khả năng gia nhiệt cho bề mặt khuôn thông qua phương pháp thực nghiệm và mô phỏng Với cuộn dây 2D, thời gian gia nhiệt 2 s, nhiệt độ bề mặt khuôn đã tăng từ 40 ºC đến 108 ºC Tuy nhiên, vùng nhiệt độ thấp vẫn tồn tại tại trung tâm của bề mặt khuôn Ngược lại, với thiết kế 3D, nhiệt độ cao nhất tại cuối quá trình gia nhiệt là 89 ºC, và vùng nhiệt độ thấp đã được khắc phục Nhìn chung, hiện trạng ngành nhựa Việt Nam hiện nay quan tâm nhiều đến vấn đề giải nhiệt cho khuôn để thời gian sản xuất là nhỏ nhất Ngược lại, quá trình gia nhiệt cho khuôn vẫn chưa được quan tâm đúng mức Thực tế hai qúa trình này luôn luôn tồn tại song song cùng lúc nên khi nghiên cứu không thể độc lập mà phải xét đến sự ảnh hưởng lẩn nhau, đó là chưa kể đến yếu tố nhiệt độ của môi trường làm việc Do đó, ngành nhựa Việt Nam chỉ sản xuất những sản phẩm đơn giản và chủ yếu ở hàng tiêu dùng Đây cũng là một trong những nguyên nhân làm chậm sự phát triển của ngành nhựa Việt Nam Để khắc phục hiện tượng này, mô hình bố trí

bộ phận cản từ ảnh hưởng đến sự phân bố nhiệt độ trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ được đề xuất nhằm nâng cao chất lượng gia nhiệt khuôn, qua đó nâng cao chất lượng sản phẩm ép phun để tăng tính cạnh tranh và sự phát triển của ngành nhựa Việt Nam

1.3 Tính cấp thiết của đề tài

Hiện nay ngành nhựa Việt Nam có xu hướng nghiên cứu ứng dụng công nghệ mới vào trong sản xuất, nhất là phương pháp gia nhiệt khuôn bằng cảm ứng từ

để có thể sản xuất ra những sản phẩm có chất lượng cao, khối lượng cực nhỏ Tuy nhiên, đến hiện nay, lĩnh vực gia nhiệt bằng cảm ứng từ, sử dụng bộ phận cản từ để nâng cao hiệu quả của quá trình gia nhiệt vẫn chưa được nghiên cứu đầy đủ

Một trong các nguyên nhân khiến công nghệ này chưa được ứng dụng rộng rãi ở Việt Nam là vì việc ứng dụng công nghệ này vẫn còn khá mới và nhiều thách thức vẫn còn đặt ra Một vài doanh nghiệp có nhu cầu và khả năng đầu tư thiết bị nhưng chưa mạnh dạn do lo ngại về nguồn nhân lực trình độ cao và các công ty của Việt Nam chưa làm chủ được công nghệ này, chưa nắm được quy trình vận hành, chưa có đội ngũ các kỹ thuật viên được đào tạo bài bản về công nghệ

Đón đầu và hòa nhập với xu hướng nghiên cứu trên thế giới nêu trên, đề tài này sẽ nghiên cứu ứng dụng các bộ phận cản từ với mong muốn tập trung phân bố

cảm ứng từ vào quá trình gia nhiệt bề mặt khuôn với tên đề tài là “Nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ”

Việc nghiên cứu và ứng dụng thành công đề tài này sẽ mang lại khả năng đưa vào ứng dụng trong sản xuất một công nghệ tiên tiến có các khả năng sau:

- Thời gian gia nhiệt ngắn hơn loại gia nhiệt cảm ứng từ thông thường

- Tiết kiệm được năng lượng điện (do gia nhiệt đúng những vị trí cần gia nhiệt)

- Hạn chế sản phẩm lỗi (đặc biệt là sản phẩm có kết cấu phức tạp, nhiều thành mỏng, có chiều dày chênh lệch lớn giữa các phần)

- Giúp doanh nghiệp có thể sản xuất đa dạng sản phẩm

- Hạ giá thành sản phẩm do giảm được sản phẩm lỗi

- Tăng năng suất, tăng khả năng cạnh tranh trên thị trường

Các công ty có thể ứng dụng công nghệ này một cách có hiệu quả như công

ty sản xuất nhựa, công ty chế tạo cuộn dây cho máy tôi cao tần

1.4 Tính mới của đề tài

Trong nghiên cứu này, thiết kế cuộn dây với bộ phận cản từ nhằm tập trung từ trường, gia tăng mật độ dòng điện xoáy để rút ngắn thời gian gia nhiệt trong quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ

1.5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn của đề tài

1.5.1 Ý nghĩa khoa học

Đề tài nghiên cứu ảnh hưởng của bộ phận cản từ đến phân bố nhiệt độ của quá trình gia nhiệt bằng cảm ứng từ nhằm mục đích mở rộng khả năng ứng dụng phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ vào cải tiến các điều kiện gia công của qui trình phun ép nhựa

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn

Hiện nay, lĩnh vực gia nhiệt bằng cảm ứng từ, nếu các bề mặt có chiều dày thay đổi khá lớn hoặc chi tết có rãnh hẹp, gân mỏng thì các phần này sẽ bị quá nhiệt Chính vì vậy đề tài có tính ứng dụng dùng bộ phận cản từ để điều chỉnh nhiệt

độ phù hợp trong quá trình gia nhiệt

1.6 Mục đích và đối tượng nghiên cứu

1.6.1 Mục đích nghiên cứu

- Nghiên cứu gia nhiệt cho bề mặt khuôn bằng phương pháp cảm ứng từ với

bộ phận cản ( dẫn) từ nhằm tăng hiệu quả gia nhiệt (tốc độ gia nhiệt, phân bố nhiệt độ)

- Phân tích thực nghiệm về gia nhiệt với các loại kết cấu A,B,C,D có thay đổi thông số của cuộn dây nhằm xác định cuộn dây phù hợp cho nhiệt độ cao nhất

- Chỉ đánh giá phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm phôi gia nhiệt bằng phương pháp mô phỏng trên phần mềm COMSOL và so sánh với kết quả thực nghiệm

1.6.2 Đối tượng nghiên cứu

Mô hình gia nhiệt cho tấm chi tiết bao gồm:

- Bộ phận các tấm cản ( dẫn) từ bằng vật liệu Ferrite có kích thước 5x25x60 (mm)

- Bốn nhóm cuộn dây cảm ứng A ,B ,C , D

- Tấm thép mẫu C45 có kích thước 100x100x5 (mm) dùng để gia nhiệt

- Phương pháp mô phỏng với phần mềm COMSOL nhằm so sánh với kết quả thực nghiệm

1.7 Nhiệm vụ và giới hạn của đề tài

1.7.1 Nhiệm vụ của đề tài

- Thu thập và phân tích tài liệu về các loại vật liệu cản từ

- Phân tích và đề xuất các thiết kế cho cuộn dây trong hệ thống gia nhiệt bằng cảm ứng từ cho tấm thép C45

- Mô phỏng các thiết kế của cuộn dây và chọn ra các thiết kế khả thi

- Thực nghiệm nhằm kiểm chứng các kết quả phân tích, mô phỏng

- Tổng kết và đưa ra phương án tối ưu

1.7.2 Giới hạn của đề tài

- Nghiên cứu trên một loại tấm mẫu thép C45 mẫu kích thước: 100x100x5 (mm)

- Nhiệt độ đo trên bề mặt tấm mẫu bằng cách đo không tiếp xúc (súng đo)

- Chỉ dùng loại vật liệu cản (dẫn) từ là Ferrite

- Cơ sở để chọn kết cấu cuộn dây A,B,C,D và bố trí tấm dẫn từ dựa trên phân bố của đường sức cuộn dây và từ thực nghiệm sơ bộ nhiều loại cuộn dây gia nhiệt trên mặt phẳng khác nhau

1.8 Phương pháp nghiên cứu và kế hoạch thực hiện

1.8.1 Phương pháp nghiên cứu

Sử dụng phương pháp định lượng trong quá trình tính toán, phân tích mô phỏng kết hợp với thực nghiệm nhằm kiểm chứng kết quả

1.8.1.1 Phương pháp thu thập và tổng hợp tài liệu:

Thu thập, phân tích và biên dịch tài liệu liên quan tới kỹ thuật gia nhiệt cho khuôn phun ép nhựa: đảm bảo tính đa dạng, đa chiều và tận dụng được các kết quả của các nghiên cứu mới nhất, phù hợp với nội dung nghiên cứu của đề tài

1.8.1.2 Phương pháp phân tích thực nghiệm:

Dựa trên các kết quả và thất bại trong thực nghiệm, lựa chọn được cấu hình thiết bị phù hợp, tối ưu hóa được quy trình thu thập kết quả thực nghiệm

Áp dụng quy trình thực nghiệm trên các thiết kế khác nhau của cuộn dây và

bộ phận cản từ

1.8.1.3 Phương pháp phân tích so sánh:

Dựa trên các kết quả về mô phỏng và thực nghiệm so sánh giữa các thiết kế của cuộn dây và bộ phận cản từ về các yếu tố:

- Phân bố nhiệt độ trên bề mặt tấm mẫu

- Giá trị nhiệt độ cao nhất của quá trình gia nhiệt

Từ đó làm sáng tỏ lý thuyết và kết quả có tính thuyết phục cao

Để thực hiện đạt mục đích của đề tài, người thực hiện đã sử dụng một số phương pháp nghiên cứu sau:

- Nghiên cứu tài liệu

- Phân tích các dữ liệu, thực hiện mô phỏng bằng phần mềm COMSOL

- Xây dựng mô hình thực nghiệm, tiến hành thực nghiệm và so sánh với kết quả mô phỏng

1.8.2 Kế hoạch thực hiện

Trên cơ sở các phương pháp nghiên cứu đã nêu, đề tài sẽ tập trung vào thực hiện các vấn đề sau:

- Tìm kiếm các tài liệu có liên quan

- Tham khảo các trang Web có nội dung liên quan

- Xây dựng cơ sở lý thuyết và mô hình tính toán

- Dùng phần mềm mô phỏng

- Xây dựng mô hình thực nghiệm

- Gia công các cuộn dây tại Trường Cao đẳng nghề Thành phố Hồ Chí Minh

- Tiến hành thực nghiệm tại Trường Cao đẳng nghề số 22, Bộ Quốc Phòng

- Phân tích, đánh giá và so sánh kết quả thực nghiệm với mô phỏng

- Đưa ra các kết luận và kiến nghị

Chương 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT

2.1 Cảm ứng từ

2.1.1 Giới thiệu chung

Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng [21]

Tất cả các ứng dụng hệ thống cảm ứng nhiệt được phát triển bằng cách sử dụng cảm ứng điện từ, đầu tiên được phát hiện bởi Michael Faraday năm 1831 Cảm ứng

từ dùng để chỉ các hiện tượng mà dòng điện biến thiên trong một mạch kín sinh ra dòng điện có tần số biến thiên tương ứng trong mạch khác bên cạnh nó Các nguyên tắc cơ bản của gia nhiệt cảm ứng, đó là một hình thức ứng dụng các phát hiện của Faraday, là một dòng điện xoay chiều có tần số f đi qua một cuộn dây thì từ trường

nó sinh ra ảnh hưởng đến mạch thứ cấp nằm gần nó Phát hiện của Faraday đã dẫn đến sự phát triển của động cơ điện, máy phát điện, máy biến áp, và các thiết bị truyền thông không dây Ứng dụng của nó đã không được sử dụng triệt để Tổn thất nhiệt, xảy ra trong quá trình gia nhiệt cảm ứng, phá hoại chức năng tổng thể của hệ thống Các nhà nghiên cứu đã tìm cách giảm thiểu sự mất nhiệt của các khung hình

từ tính được đặt bên trong động cơ hoặc máy biến áp Định luật Faraday đã làm đòn

bẩy cho những khám phá về sau như định luật Lentz Định luật này giải thích rằng dòng điện chạy ngược với hướng của sự thay đổi trong cảm ứng từ sinh ra nó Nguyên lý hoạt động của phương pháp gia nhiệt bằng cảm ứng từ được trình bày như sau: Thiết bị gia nhiệt bằng cảm ứng từ sẽ cấp nguồn điện, tạo ra dòng điện cao tần chạy trong cuộn dây (Hình 2.2) Dòng điện này sẽ tạo ra từ trường thay đổi xung quanh cuộn dây với cùng tần số của nguồn cao tần Theo định luật Faraday, nếu có một cuộn dây khác nằm trong vùng ảnh hưởng của từ trường này, dòng điện cảm ứng sẽ được tạo ra bên trong cuộn thứ cấp Vì vậy, trong phương pháp gia nhiệt cho bề mặt khuôn theo phương pháp cảm ứng từ, cuộn dây sẽ đóng vai trò như cuộn sơ cấp, và bề mặt khuôn sẽ đóng vai trò như cuộn thứ cấp (Hình 2.1) Khi có dòng điện cao tần chạy trong cuộn dây, từ trường biến thiên với tần số cao sẽ được tạo ra Nếu bề mặt cần gia nhiệt của khuôn được đặt gần cuộn dây, dòng điện cảm ứng sẽ xuất hiện trên bề mặt khuôn, và quá trình gia nhiệt sẽ được thực hiện

Tổn thất nhiệt, xảy ra trong quá trình cảm ứng điện từ, có thể được biến thành năng lượng nhiệt trong một hệ thống gia nhiệt cảm ứng điện từ Nhiều ngành công nghiệp đã được hưởng lợi từ sự đột phá này bằng cách ứng dụng vào công nghệ xử lý bề mặt kim loại, và hàn Trong các ứng dụng này, cảm ứng nhiệt dễ dàng thiết lập các thông số nhiệt mà không cần nguồn năng lượng bên ngoài bổ sung Điều này làm giảm đáng kể sự mất nhiệt, trong khi duy trì một môi trường làm việc thuận tiện hơn Không xảy ra tai nạn điện khi tiếp xúc với cuộn dây

Nhu cầu đối với chất lượng tốt hơn, an toàn hơn, và các sản phẩm tiêu thụ năng lượng ít hơn là tăng Sản phẩm dân dụng sử dụng gia nhiệt cảm ứng bao gồm nồi cơm điện tử và bếp diện từ Sản phẩm công nghiệp như máy tôi cao tần, hiệu quả và nhanh chóng thu hút nhiều khách hàng hơn

Gia nhiệt cảm ứng bao gồm ba yếu tố cơ bản: cảm ứng điện từ, hiệu ứng bề mặt, và truyền nhiệt

Hình 2.2: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng tương tự như máy biến áp [21] 2.1.2 Phương pháp tính

Khi dòng điện xoay chiều đi vào một cuộn dây, thì xuất hiện từ trường bao bọc xung quanh cuộn dây

Từ thông đặc trưng cho lượng từ trường (vectơ cảm ứng từ B) đi qua cuộn dây

S là tiết diện cuộn dây (m²)

n là số vòng của cuộn dây

 = ( , )B n , với B vuông góc với mặt S thì  = 0°

- Từ thông tự cảm xuất hiện trong cuôn dây khi có dòng điện xoáy

- Với kết quả trên, năng lƣợng điện chuyển thành nhiệt năng do dòng điện

cảm ứng và dòng điện Foucault đƣợc tính theo công thức sau:

W : Năng lƣợng từ (J)

- Độ tự cảm của một ống dây:

2

2

a N L



Trong đó :

a là đường kính ngoài cuộn coil (m)

N là tổng số vòng của cuộn coil

l là chiều dài cuộn coil (m)

Hình 2.4: Ảnh hưởng của mật độ dòng điện với độ sâu bề mặt gia nhiệt và khoảng

cách vị trí bề mặt của cuộn coil

2.2 Hiệu ứng bề mặt

Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn, tùy theo tần số dòng điện sẽ xảy

ra hiệu ứng bề mặt nghiên cứu về cảm ứng từ, khi dòng điện có tần số càng cao, dòng điện cảm ứng trên vật cần gia nhiệt sẽ tập trung tại bề mặt

- Công thức tính chiều sâu lớp gia nhiệt (mm)

f



Theo như công thức trên, chiều sâu lớp gia nhiệt phụ thuộc vào tính chất vật liệu của vật cần gia nhiệt và tần số dòng điện Do đó, với cùng loại vật liệu, hiệu suất và chiều dày của lớp gia nhiệt có thể được thay đổi thông qua việc điều chỉnh tần số của dòng điện Với các loại vật liệu từ tính thấp, như đồng (Cu) và nhôm (Al), độ ngấm từ thường là 1 Ngược lại, với các loại vật liệu sắt từ như thép, độ thấm từ thường cao hơn rất nhiều Do đó, khi gia nhiệt cho vật liệu sắt, nhờ hiệu ứng bề mặt, quá trình gia nhiệt sẽ tập trung tại bề mặt của vật cần gia nhiệt (Hình

Hình 2.6: Ứng dụng cảm ứng từ trong công nghệ nhiệt luyện

Trong công nghệ hàn các mối ghép ống mỏng, hình dáng phức tạp (Hình 2.7)

Vật liệu làm khuôn ép nhựa đƣợc sử dụng phổ biến là thép Độ cứng của thép

là yếu tố trực tiếp quyết định độ bền của khuôn Cần chú ý trong tính chất của thép làm khuôn đó là độ bền uốn và độ bền kéo, giá trị này lớn thì ta có thể hiểu rằng vật liệu này có độ cứng cao Sử dụng thép làm khuôn có độ cứng cao là cách làm nhanh nhất để tăng độ cứng cho khuôn qua đó tăng độ bền và tuổi thọ khuôn lên Việc

chọn thép làm khuôn có độ cứng cao để tăng tuổi thọ khuôn đồng nghĩa với việc tăng chi phí làm khuôn lên Việc này đồng nghĩa với tăng chi phí đẫn đến tăng giá thành Do đó, Tùy theo yêu cầu khuôn mà ta nên chọn loại thép thích hợp để làm khuôn

Đối với những khuôn không yêu cầu cao về độ chính xác thì vật liệu làm khuôn nên sử dụng hiện nay là thép C45, C50, Nak80… những vật liệu này có giá thành tuơng đối hợp lý, dễ kiếm va dễ gia công Đối với những khuôn yêu cầu độ chính xác cao, vật liệu nhựa có chứa các tạp chất có tính mài mòn nhƣ thủy tinh thì cần chọn những thép có độ cứng cao nhƣ SKD11, ELMAX, SKH51

Để giảm thiểu chi phí làm khuôn tối đa thì nên chia khuôn ra 2 phần lõi khuôn và vỏ khuôn sử dụng 2 loại thép khác nhau Về vỏ khuôn có thể sử dụng những vật liệu độ cứng thấp, giá cả mềm Lõi khuôn thì sử dụng những vật liệu có

độ cứng cao để đạt đƣợc yêu cầu kỹ thuật mà giá làm khuôn giảm đi rất nhiều

Sau đây là thành phần cấu tạo của tấm phôi sử dụng thực nghiệm là thép C45 nhƣ Bảng 2.1 và 2.2

Bảng 2.1 Thành phần hoá học của thép Các bon chất lƣợng C45

Đơn vị tính: %

Mác

thép C Si Mn P  S  Cr Ni Cu

Thành phần khác

độ cao

Hình 2.9: Sơ đồ nguyên lý gia nhiệt cảm ứng và bố trí bộ phận cản từ

Ferrite là vật liệu ôxit phức tạp, khác với các chất sắt từ là trị số từ cảm nhỏ hơn, quan hệ giữa nhiệt độ và từ cảm phức tạp hơn và có điện trở suất cao hơn hoặc rất cao Ferrite là gốm từ có thể xếp vào loại bán dẫn điện tử (vì có điện dẫn điện tử không đáng kể) Năng lượng tổn hao ở vùng tần số cao tương đối nhỏ làm cho Ferrite được dùng rộng rãi ở tần số cao Các Ferrite là những vật liệu cứng và giòn, không cho phép gia công bằng cắt gọt, chỉ có thể mài hoặc đánh bóng

Ferrite từ cao tần: Ngoài Ferrite từ mềm ở tần số cao có thể dùng thép lá kỹ thuật điện hoặc Fecmalôi cán nguội và điện môi từ (Điện môi từ chế tạo bằng cách nén bột sắt từ có chất kết dính cách điện)

Ferrite từ là tên gọi chung của nhóm các vật liệu có trật tự từ mà trong cấu trúc từ của nó gồm 2 phân mạng đối song song nhưng có độ lớn khác nhau Ferri từ còn được gọi là phản sắt từ bù trừ không hoàn toàn

Trước khi có các lý thuyết về phản sắt từ, người ta vẫn nhầm Ferrite từ với sắt từ Tính chất này lần đầu tiên được nhà vật lý học Pháp Louis Eugène Félix Néel (1904-2000) dự đoán vào năm 1930 và lần đầu tiên xuất hiện vật liệu vào năm

1947, sau đó nhanh chóng trở thành một trong những vật liệu từ được sử dụng nhiều nhất

Ferrite từ thực chất là các vật liệu gốm, bán dẫn từ, có điện trở suất và độ bền rất cao, vì thế các ferrite từ mềm thường được dùng trong các ứng dụng ở tần số cao

và siêu cao (làm các lõi dẫn từ sử dụng ở từ trường tần số cao và siêu cao) trong các mạch điện tử

Phản sắt từ là nhóm các vật liệu từ có trật tự từ mà trong cấu trúc gồm có 2 phân mạng từ đối song song và cân bằng nhau về mặt giá trị

Hình 2.10: Cấu trúc từ của vật liệu phản sắt từ

Vật liệu phản sắt từ thuộc loại vật liệu có trật tự từ hay phi từ vì chúng có từ tính yếu Ứng dụng lớn nhất của phản sắt từ là trong các màng từ điện trở khổng lồ trong các đầu đọc ổ đĩa cứng

Loại vật liệu được sử dụng trong các thực nghiệm là Ferrite, đậy là vật liệu

có 2 phân mạng từ bù trừ nhau, và chứa hàm lượng ôxi lớn nên khó tạo ra từ độ lớn, nhưng lại có lực kháng từ lớn hơn rất nhiều so với AlNiCo Lực kháng từ của ferrite có thể đạt tới 5 kOe Ferrite có điểm mạnh là rẻ tiền, chế tạo dễ dàng và có

độ bền cao

Hình 2.11: Ảnh hưởng của vật liệu cản từ và chiều sâu gia nhiệt [22]

Độ sâu bề mặt gia nhiệt càng tăng đối với vật liệu có từ tính tăng, ảnh hưởng này giảm dần khi tăng tần số Đối với máy tôi cao tần dùng cho thực nghiệm có tần

số từ 12-25kHz nên bề mặt tấm cản từ sẻ không bị gia nhiệt ảnh hưởng khác nhau Phân bố từ trường với thay đổi của cuộn coil

2.6 Thiết kế của cuộn dây gia nhiệt

Trong quá trình gia nhiệt cho bề mặt khuôn, dòng điện cảm ứng trên bề mặt khuôn được tạo bởi từ trường thay đổi của dòng điện trong cuộn dây Do đó, với các thiết kế khác nhau của cuộn dây, từ trường sẽ thay đổi, và kết quả là phân bố nhiệt độ trên bề mặt lòng khuôn cũng sẽ khác nhau Với thiết kế tốt, cuộn dây sẽ tạo

ra vùng gia nhiệt hợp lý cho bề mặt khuôn Ngoài ra, hiệu suất của quá trình gia nhiệt cũng được tối ưu hơn [12]

Nhìn chung, trong lĩnh vực gia nhiệt cho khuôn phun ép theo nguyên lý cảm ứng từ, cuộn dây gia nhiệt thường được làm từ ống đồng với đường kính từ 5mm đến 14mm Tùy theo từng loại khuôn và khu vực cần gia nhiệt, cuộn dây có thể có 1 vòng hoặc nhiều vòng dạng xoắn ốc với tiết diện tròn hoặc vuông Bên cạnh thông

số về cuộn dây, khoảng cách giữa cuộn dây và bề mặt cần gia nhiệt cũng là một

trong những thông số quan trọng Nếu khoảng cách này nhỏ, hiệu suất của quá trình gia nhiệt sẽ lớn hơn

Trong thời gian gia nhiệt cảm ứng, mối quan hệ giữa thời gian và nhiệt độ phải được kiểm soát chính xác để có được một phân bố nhiệt độ đồng đều trên các phôi để kiểm soát sự hình thành của các lớp dưới bề mặt nóng Thiết kế cuộn dây là rất quan trọng để kiểm soát nhiệt độ chính xác

Để thiết kế các cuộn dây để gia nhiệt, chú ý một số lưu ý: Các cuộn dây phải đồng nhất vật liệu để cho quá trình gia nhiệt được tối ưu Thiết kế làm sao cho số lượng từ thông là lớn nhất và dòng từ thông đi vào khu vực cần gia nhiệt trên tấm phôi được tập trung ở khu vực cần nung nóng Tại trung tâm của các cuộn dây mật

độ từ thông tập trung ít, mật độ sẽ tăng dần khi đi gần đến các vòng dây Hình dạng cuộn dây ảnh hưởng đến sự phân bố của từ thông nó tác động trực tiếp đến quá trình gia nhiệt Khoảng cách giữa các vòng dây càng gần thì từ thông càng nhiều, số lượng các vòng dây ít và xa thì từ thông không tập trung bị phân tán ảnh hưởng lớn đến quá trình gia nhiệt Khi gia nhiệt nếu để cuộn dây càng gần bề mặt hay vị trí cần nung nóng thì thời gian gia nhiệt sẽ nhanh, nếu để cuộn dây càng xa thì lượng từ thông càng ít thời gian gia nhiệt sẽ lâu [12]

Dưới đây một số mẫu cuộn dây thường được sử dụng:

Hình 2.12: Các mẫu cuộn dây gia nhiệt chi tiết hình trụ